(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却ブロックと放熱板との間の接触性の向上を図り、冷却性能を向上させる電子部品冷却装置の提供。【解決手段】発熱性の電子部品が実装された１枚以上の絶縁基板を有するパワーモジュールと、これに取り付けられる放熱板１１と、該放熱板１１を載置して上記電子部品を強制冷却する冷却ブロック２とで構成され、上記絶縁基板が、セラミックからなる基材８と、該基材８の電子部品側に接合された板状のアルミニウムとからなり、該アルミニウムの面積が上記基材８の面積以下であり、放熱板１１がアルミニウムからなり、かつ、該放熱板１１がセラミック基材８の面積よりも大きい面積を有し、上記絶縁基板に接合されるセラミック基材８厚さをｄ１、該基材８の電子部品側に接合された板状のアルミニウムの厚さをｄ２、セラミック基材８の冷却ブロック２側に位置する放熱板１１の厚さをｄ３として、ｄ１＜ｄ３＜ｄ２なる設定をする。【選択図】図６
2006245479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱性の電子部品が実装された１枚以上の絶縁基板を有するパワーモジュールと、該パワーモジュールに取り付けられる放熱板と、該放熱板を載置して上記電子部品を強制冷却する冷却ブロックとで構成される電子部品冷却装置において、
上記絶縁基板が、セラミックからなる基材と、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムとからなり、該アルミニウムの面積がセラミック基材の面積と同一か、または小さい面積であり、
放熱板がアルミニウムからなり、かつ、該放熱板がセラミック基材の面積よりも大きい面積を有し、上記絶縁基板に接合されるセラミック基材の厚さをｄ１、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムの厚さをｄ２、セラミック基材の冷却ブロック側に位置する放熱板の厚さをｄ３とするとき、ｄ１＜ｄ３＜ｄ２なる厚さ設定をしたことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項２】
発熱性の電子部品が実装された１枚以上の絶縁基板を有するパワーモジュールと、該パワーモジュールに取り付けられるフィン付放熱板と、該放熱板のフィン部に嵌合する冷却ブロックとで構成され、上記フィンを冷却ブロックの流路内に露出して、冷却媒体を流して強制冷却する電子部品冷却装置において、
上記絶縁基板が、セラミックからなる基材と、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムとからなり、該アルミニウムの面積がセラミック基材の面積と同一か、または小さい面積であり、
フィン付放熱板がアルミニウムからなり、かつ、該フィン付放熱板がセラミック基材よりも大きな面積を有し、上記絶縁基板に接合されるセラミック基材の厚さをｄ１、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムの厚さをｄ２、上記放熱板のフィンを除いたアルミニウムの厚さをｄ３とするとき、ｄ１＜ｄ２、かつ、ｄ１＜ｄ３なる厚さ設定をし、
上記フィンの高さｄ４が４ｍｍ以上で、ｄ４＞ｄ３であることを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項３】
請求項２記載のセラミック基材の厚さをｄ１、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムの厚さをｄ２、上記放熱板のフィンを除いたアルミニウムの厚さをｄ３とするとき、ｄ１＜ｄ２≒ｄ３なる厚さ設定をすることを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項４】
請求項２記載のフィン付放熱板と冷却ブロックとの嵌合部に、Ｏリングまたは平パッキンを介在させたことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項５】
請求項２記載のフィン付放熱板と冷却ブロックとを一体化したことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２記載のセラミック基材が窒化アルミニウムまたは窒化珪素からなることを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項７】
請求項１または請求項２記載のアルミニウムに替えて、銅を使用したことを特徴とする電子部品冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車等に用いられるインバータ装置等の発熱性の電子部品を冷却液で強制的に冷却するための冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車においては、バッテリからの直流電力を走行用モータ等へ給電するためにインバータ装置が用いられている。
上記インバータ装置は、ＩＧＢＴ、またはＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を搭載しているが、これらの素子は、大電流を制御するため、消費電力が大きく、多くの熱を発生する。
この発熱は、効率よく逃がさないと、部品の寿命が短くなり、また、破壊に至るおそれがあるため、放熱および温度上昇の抑制が容易な構造が要求されている。
【０００３】
従来、上記の半導体スイッチング素子からの発熱を冷却液で強制的に液冷し、温度上昇を抑制する、いわゆる液冷方式の冷却構造体を採用したものが提供されている。
図１は、このような従来の液冷方式を採用したインバータ装置の一例を示す斜視図である。
パワーモジュール１は、冷却ブロック２の載置面３上にシリコングリースを塗布して実装され、パワーモジュール１の四隅に設けられた穴位置にボルト４を通して、冷却ブロック２にネジ締め固定されている。パワーモジュール１の下面と冷却ブロック載置面３との間にはシリコングリースが塗布され、両者の密着性を高め、熱抵抗を低減させている。
また、冷却ブロック２の内部には、アルミニウムにより成形した冷却用のフィン５が挿入されており、冷却ブロック２の両側面からアルミニウム板材で密封し、冷却液循環用の冷液管６ａ、６ｂとともにろう付けして液密性を確保している。
図２は、図１のインバータ装置の断面図を示したものである。
パワーモジュール１は、半導体スイッチング素子７を搭載した絶縁基板を金属製の放熱板９にはんだ付けし、その素子の周囲を取り囲むハウジング１２を放熱板９に取り付けて構成される。
絶縁基板は、セラミック基材８（例えば、窒化アルミニウムや窒化珪素）等の絶縁材料の両面に、銅やアルミニウム等の金属層１０、１１を設けて構成されており、上面側の金属層１０には回路パターンが形成され、半導体スイッチング素子７がはんだ付けして接合されるとともに、下面側の金属層１１は、放熱板９にはんだ付け接合されている。
例えば、セラミック基材として、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムを用いた場合、窒化アルミニウムの両面に接合されるアルミニウム厚さは、窒化アルミニウムよりも薄い厚さを設定し、０．４ｍｍｔで使用されている。また、放熱板９は、熱容量を大きく設定してヒートスプレッダとしての効果を持たせるため２〜３ｍｍｔに設定して使用される。
ハウジング１２には、外部接続端子１３が一体成形され、半導体スイッチング素子７は、絶縁基板８の金属電極と外部接続端子１３とにアルミワイヤ１４でボンディング接続されている。
【０００４】
パワーモジュールに組み込まれる半導体スイッチング素子が、数十Ａを超える大容量のチップである場合は、通電時の発熱が顕著となり、半導体チップと絶縁基板、あるいは放熱板との熱膨張係数の違いによって接合界面に応力が生じ、クラック等で破壊するおそれがある。
従って、絶縁基板、および放熱板は半導体チップとほぼ等しいか、それに近い熱膨張係数のものが選定される。例えば、半導体チップの構成材料であるシリコンの熱膨張係数は３．６ｐｐｍ／℃であるため、絶縁基板としては、熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃のＤＢＡ基板が選定される。また、放熱板としては、熱膨張係数が７〜８ｐｐｍ／℃のＡｌ−ＳｉＣ複合板、Ｃｕ−Ｍｏ複合板、カーボン複合板等が使用できる。
【０００５】
また、他の電子部品冷却装置の例として、冷却ブロックに開口部を設けて、パワーモジュールの放熱板を嵌合して一体化した構造とし、冷却ブロック内部を循環する冷却媒体で放熱板の下面を直接冷却した構造が提案されている。
上記の冷却装置の構造例として、開口部を有するヒートシンクにゴムシートやＯリング、パッキン等の弾性体を挟んで、発熱性の電子部品が実装された放熱板を直接、嵌合してネジ止め固定した構造の冷却構造が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開平９−１２１５５７号公報
【特許文献２】特開平９−２０７５８３号公報
【特許文献３】特開２００１−２０３４８７号公報
【０００６】
また、他の電子部品冷却装置の例として、中空構造を有する冷却ブロックに、発熱性の電子部品を実装した絶縁基板を直接実装して冷却する構造が提案されている（例えば特許文献４参照）。
【特許文献４】特開２００１−７７２６０号公報
【０００７】
また、他の電子部品冷却装置の例として、図４に示すように、放熱板９に当接する冷却ブロック２との間に、接合時に発生する反りを矯正するための当接面積より小さい反り補正板１９が接合され、上記反り補正板１９が、該反り補正板１９の厚さと同等以上の深さを有する放熱板９の凹部に接合されるパワーモジュールが提案されている（例えば特許文献５参照）。
【特許文献５】特開２００４−２３５３８７号公報
【０００８】
しかし、上記の電子部品冷却装置にあっては、１）放熱板９の凹部の寸法に高精度が求められ、加工が難しいこと、２）反り補正板１９が余分に必要となり、材料費、組立費用がかかること、３）放熱板９の面方向への熱拡散が反り補正板１９によって阻害されるため、冷却ブロック２への放熱性が低下すること等の問題があった。
【０００９】
また、他の電子部品冷却装置の例として、セラミック基材の両面に電極板を貼り付けるとともに、下面側の電極板をセラミック基材よりも大きく設定して、冷却溶媒で直接または間接に冷却する構造が提案されている（例えば特許文献６参照）。
【特許文献６】特開２００２−３１５３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の電子部品冷却装置において、半導体スイッチング素子を搭載した絶縁基板を金属製の放熱板にはんだ付けし、さらに放熱板の下面と冷却ブロックの載置面との間にシリコングリースを塗布した構造のインバータ装置においては、シリコングリースの熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋと、放熱板や絶縁基板と比較して２桁以上小さく、シリコングリース界面における熱抵抗が大きくなるため高い放熱性能が期待できない。
さらに、放熱板９とその上に実装される発熱性の電子部品との熱膨張係数が異なり、はんだ付け後に常温まで冷却される際に、図３に示すように凸反りが生じた場合、パワーモジュールの四隅をネジ締めしても、放熱板の中央部は冷却ブロックに密着しないため、放熱板９を介して冷却ブロック２に熱が伝達されず、異常に温度上昇してしまうこととなる。
従って、半導体スイッチング素子、および絶縁基板が実装された状態での放熱板と冷却ブロックの載置面上の平面精度に非常に高い精度が要求され、加工の手間やコスト増大を招くこととなる。
【００１１】
さらに、上記従来の冷却構造のうち、開口部を有するヒートシンクにゴムシートやＯリング、パッキン等の弾性体を挟んで、発熱素子が実装された放熱板を直接、嵌合してネジ止め固定した冷却構造では、ヒートシンクと放熱板との嵌合部の液密性を保つことが非常に重要となり、冷却液の液漏れを発生させない注意が必要となる。
例えば、放熱板として使用されている、Ａｌ−ＳｉＣ複合板およびＣｕ−Ｍｏ複合板では、熱膨張係数が７〜８ｐｐｍ／℃であるのに対し、開口部を有するヒートシンクとして使用される金属材料は、低コストで加工性に富むアルミニウムで、熱膨張係数が２４ｐｐｍ／℃で、一桁大きい。
【００１２】
今、３０〜５０ｋＷクラスの車載用インバータ装置に搭載されるパワーモジュールを想定したとき、パワーモジュールベース板の長辺側寸法は約２０ｃｍとなる。車載用途のインバータ装置等で要求される環境温度−４０〜＋８５℃においては、ΔＴ＝１２５℃の温度変化に対応する必要があり、Ａｌ−ＳｉＣ複合板、およびＣｕ−Ｍｏ複合板等の放熱板では、パワーモジュール長辺側寸法２０ｃｍに対して０．２ｍｍの寸法変化となるのに対し、アルミニウムにおいては、０．６ｍｍの寸法変化を発生させることとなる。
従って、放熱板とアルミニウム間の熱膨張差が０．４ｍｍも発生することになり、これがヒートシンクと放熱板との嵌合部に挟み込まれたゴムシート等にストレスを与える。
【００１３】
さらに、温度環境が厳しい車載用途においては、ヒートシンクと放熱板との界面に存在するゴムシートやＯリング、パッキン等の弾性体にも、これらストレスが熱履歴となって加わり、長期間の使用によって密着性がさらに劣化するという問題も懸念される。
【００１４】
また、上記従来の冷却構造のうち、セラミック基材の下面側電極板の面積を該セラミック基材よりも大きく設定して、冷却媒体で直接または間接冷却する構造については、下面側電極板の面積をセラミック基材よりも大きく設定したために、セラミック基材と上面側電極板の接合界面に生ずる内部応力よりも、セラミック基材と下面側電極板の接合界面に生ずる内部応力の方が強くなるために凸状のそりを生じることになる。
【００１５】
ろう付け時に凸状のそりが発生するメカニズムを、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。図５（ａ）は常温状態（Ｔａ＝２５℃）における部材構成図であり、セラミック基材８の上面側に、該セラミック基材８と略同一の大きさを有する電極板１０を配置し、下面側に該セラミック基材８よりも大きな面積を有する電極板１１を配置している。電極板１０、１１のセラミック基材８との接合面側には、あらかじめ、ろう材が塗布されている。
【００１６】
図５（ｂ）は、真空中、約６４５℃の温度条件でろう付けする際の各部材の熱膨張を示す図である。
セラミック基材８は、例えば熱膨張係数３．７ｐｐｍ／℃の窒化アルミニウムであり、その両面に接合される電極板１０、１１は、例えば熱膨張係数２３ｐｐｍ／℃のアルミニウムである。
ろう付けを行う約６４５℃の温度条件では、アルミニウムが窒化アルミニウムより大きな熱膨張係数を有するため、電極板１０、１１は、セラミック基材８よりも大きく膨張している。（この際、電極板１０、１１には、膨張する向きに応力が発生している。）
【００１７】
溶融したろう材は、真空炉内の温度が降下するに伴い、約６００℃で硬化し、セラミック基材８の両面に電極板１０、１１が接合される。そして、約６００℃付近から常温まで温度が降下する過程で、電極板１０、１１の収縮が起こる（図（ｃ））。この際、セラミック基材８の両面に接合される電極板１０、１１の形状が略同一である場合は、接合界面における内部応力がセラミック基材１０の両面でほぼ同じとなり、常温に戻った後のそりは発生しない。
しかし、下面側に接合される電極板１１のみがセラミック基材８よりも大きい場合、電極板１１におけるセラミック基材８が接続されていない周囲部の収縮力が大きくなり、図５（ｃ）のとおり、セラミック基材８の上面側電極板１０との接合界面における内部応力よりも、下面側電極板１１の接合界面における内部応力の方が大きくなり、凸状のそりが発生することとなる。
【００１８】
ろう付け温度（約６００℃）から常温（２５℃）まで温度が降下した場合、温度降下（ΔＴ＝５７５℃）によって放熱板（アルミニウム）と窒化アルミニウムの接合界面に生ずる内部応力は非常に大きくなり、顕著なそりを発生する。これは、使用温度範囲（−４０〜＋８５℃）におけるΔＴ＝１２５℃の約４．６倍に相当し、制作時におけるそりを是正しない限り、図３に示すように、放熱板と冷却ブロック間に隙間が生じて熱が伝達されない状況に陥り、実使用で障害を発生する。
【００１９】
一例として、縦７０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムに対して、上面側に縦６８ｍｍ、横４８ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム板、下面側に縦２００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム板をろう付けした場合、下面側電極板の長辺側両端に対して中央が約１ｍｍ内ぞりを生ずる結果となった。
【００２０】
上記のような問題があったため、セラミックを基材とする絶縁板と、アルミニウムからなる放熱板との間で、熱膨張係数の差によるそりを発生させることなく、半導体スイッチング素子から発生した熱を速やかに放熱することができる構造が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、上記課題を解決するものであって、発熱性の電子部品が実装された１枚以上の絶縁基板を有するパワーモジュールと、該パワーモジュールに取り付けられる放熱板と、該放熱板を載置して上記電子部品を強制冷却する冷却ブロックとで構成される電子部品冷却装置において、
上記絶縁基板が、セラミックからなる基材と、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムとからなり、該アルミニウムの面積がセラミック基材の面積と同一か、または小さい面積であり、
放熱板がアルミニウムからなり、かつ該放熱板がセラミック基材の面積よりも大きい面積を有し、上記絶縁基板に接合されるセラミック基材の厚さをｄ１、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムの厚さをｄ２、セラミック基材の冷却ブロック側に位置する放熱板の厚さをｄ３とするとき、ｄ１＜ｄ３＜ｄ２なる厚さ設定をしたことを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２２】
また、発熱性の電子部品が実装された１枚以上の絶縁基板を有するパワーモジュールと、該パワーモジュールに取り付けられるフィン付放熱板と、該放熱板のフィン部に嵌合する冷却ブロックとで構成され、上記フィンを冷却ブロックの流路内に露出して、冷却媒体を流して強制冷却する電子部品冷却装置において、
上記絶縁基板が、セラミックからなる基材と、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムとからなり、該アルミニウムの面積がセラミック基材の面積と同一か、または小さい面積であり、
上記フィン付放熱板がアルミニウムからなり、かつ、該フィン付放熱板がセラミック基材よりも大きな面積を有し、上記絶縁基板に接合されるセラミック基材の厚さをｄ１、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムの厚さをｄ２、上記放熱板のフィンを除いたアルミニウムの厚さをｄ３とするとき、ｄ１＜ｄ２、かつ、ｄ１＜ｄ３なる厚さ設定をし、
上記フィンの高さｄ４が４ｍｍ以上で、ｄ４＞ｄ３であることを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２３】
さらに、上記のセラミック基材の厚さをｄ１、該基材の電子部品側に接合された板状のアルミニウムの厚さをｄ２、上記放熱板のフィンを除いたアルミニウムの厚さをｄ３とするとき、ｄ１＜ｄ２≒ｄ３なる厚さ設定をすることを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２４】
そして、上記のフィン付放熱板と冷却ブロックとの嵌合部に、Ｏリングまたは平パッキンを介在させたことを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２５】
また、上記のフィン付放熱板と冷却ブロックとを一体化したことを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２６】
さらに、上記のセラミック基材が窒化アルミニウムまたは窒化珪素からなることを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２７】
そして、上記のアルミニウムに替えて、銅を使用したことを特徴とする電子部品冷却装置である。
【発明の効果】
【００２８】
セラミックを基材とし、該基材の電子部品側に接合されたアルミニウムの厚さｄ２を、冷却ブロック側に接合されるアルミニウム厚さｄ３よりも大きく設定し、該基材上面側のアルミニウムはセラミック基材と同一またはより小さな面積を有する回路パターンを構成して、発熱性の電子部品を実装し、該基材下面側のアルミニウムはセラミック基材より大きな面積を有し、発熱性の電子部品の放熱板として利用する。
【００２９】
これにより、基材となるセラミックの剛性を利用してアルミニウムとの界面に発生する熱応力を保持するとともに、基材の電子部品側に接合されたアルミニウムの厚さｄ２を、基材の冷却ブロック側に接合されるアルミニウムの厚さｄ３よりも大きく設定することで、基材とその両側に接合されるアルミニウムにおける接合界面応力を略同一に設定することが可能となり、セラミックとアルミニウムとの熱膨張係数差によるそりを抑制することができ、発熱性の電子部品と絶縁基板、および絶縁基板とアルミニウム放熱板との界面にストレスを生ずることなく、信頼性の高い電子部品を提供することができる。
【００３０】
さらに、冷却ブロック側に接合されるアルミニウムの厚さｄ３をセラミックス基材の厚さｄ１よりも厚くすることで、アルミニウム放熱板を冷却ブロックに接合する際の機械的強度を高めることができる。
【００３１】
また、セラミックを基材とし、該基材の上面側に基材と同一か、より小さな面積を有するアルミニウム回路パターンを構成して、発熱性の電子部品を実装し、該基材下面側には、セラミック基材よりも大きな面積を有する放熱フィン付アルミニウム冷却ブロックを接合するとともに、該放熱フィンを流路内に露出させて、冷却媒体で直接冷却して利用する。
この際、セラミック基材の両面に接合されるアルミニウムの厚さを、該基材よりも厚く設定することで、冷却ブロックに接合する際の機械的強度を高めるとともに、冷却ブロックに高さ４ｍｍ以上の放熱フィンを設けることで、セラミックス基材の両面にアルミニウムを接合することによって、界面に生じる応力バランスをとることが可能となり、複合モジュールのそりを抑制することができる。
【００３２】
さらに、放熱フィン付アルミニウム冷却ブロックを使用した場合に、フィンの曲げ抗力でそりを抑制することが可能となり、アルミニウム放熱板１１の厚さｄ３と、アルミニウム回路パターンの厚さｄ２の関係をｄ２≒ｄ３としても、フィン高さを４ｍｍ以上に設定すれば、複合モジュールのそりを抑制することができる。
【００３３】
また、パワーモジュール放熱板と冷却ブロックの材質にアルミニウムを使用しており、放熱板と冷却ブロック間に挟み込むＯリングまたは平パッキンにストレスを与えることがないため、長期間使用しても、密着性が劣化することがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。
［実施例１］冷却ブロック載置面にシリコングリース塗布（図６）
図６は、本発明の実施例による電子部品冷却装置の斜視図であり、セラミック基材８の上面側にアルミニウム回路パターン１０、下面側にアルミニウム放熱板１１を一体化した状態で、アルミニウム回路パターン１０に半導体スイッチング素子７を実装し、図１と同様、半導体周囲を取り囲むハウジングをアルミニウム放熱板１１に取り付けて、パワーモジュールとした状態で冷却ブロック２に実装して使用される。ここでは、内部構造をより明確にするためにハウジング部を省略して記載した。
【００３５】
アルミニウム放熱板１１の上面側には、３枚のセラミックス基材８が実装されており、各セラミック基材上には、該基材と同一か、またはより小さな面積を有するアルミニウム回路パターン１０が接合されている。
アルミニウム放熱板１１とアルミニウム回路パターン１０の接合面側には、あらかじめＡｌ−Ｓｉ系合金等のろう材がクラッド加工してあり、セラミック基材８を挟んだ状態で、真空ろう付けして接合されている。
そして、先に３つの部材を接合したろう材よりも低い融点のはんだを用いて、アルミニウム回路パターン１０に半導体スイッチング素子７をはんだ付けにて実装する。さらに、アルミニウム放熱板１１と冷却ブロック２の載置面３との間に、シリコングリースを塗布し、これらにより両者間の密着性を高めた上でアルミニウム放熱板１１が冷却ブロック２にボルト４でネジ止め固定される。
【００３６】
さらに、冷却ブロック２の一方の冷液管６ａからクーラントや純水等の冷却液を供給して冷却ブロック内の流路を循環させたのち、他方の液冷管６ｂから排出させることで、パワーモジュール内の半導体スイッチング素子７で発生する熱が、アルミニウム回路パターン１０、セラミック基材８、アルミニウム放熱板１１、シリコングリースを通じて冷却ブロックに伝わり、冷却ブロック内を流れる冷却液により、パワーモジュールが強制冷却される。
【００３７】
図７（ａ）は、上記電子部品冷却装置に使用されるセラミック基材８とアルミニウム回路パターン１０、アルミニウム放熱板１１を一体化する際の構成図であり、図７（ｂ）はその断面図である。（以下、これら３つの部材を接合した構造を「セラミック複合放熱板」と称する。）
セラミック複合放熱板は、アルミニウム回路パターン１０、セラミック基材８、アルミニウム放熱板１１の順に接合した構造をとる。アルミニウム回路パターン１０の厚さｄ２は、アルミニウム放熱板１１の厚さｄ３よりも大きく設定している。
【００３８】
図７（ａ）に記載のとおり、セラミック基材８の下面側に接合されるアルミニウム放熱板１１が、上面側に接合されるアルミニウム回路パターン１０よりも大きい場合、アルミニウム放熱板１１のセラミック基材が接合されていない周囲部の分だけ、アルミニウム放熱板１１側の収縮力が大きくなることから、凸状のそりを発生することとなる。
そこで、上面側のアルミニウム回路パターンの厚さを下面側のアルミニウム放熱板１１よりも厚く設定し、セラミック基材と、アルミニウム回路パターン間の接合界面側における収縮力を増すことにより、セラミック基材の両面に接合されたアルミニウム板との接合界面側応力バランスを取り、セラミック複合放熱板のそりを抑制することができる。
また、アルミニウム放熱板１１は、冷却ブロック３にネジ締め固定するために、機械的強度を確保する必要があり、０．８〜２．０ｍｍ（望ましくは１．０〜１．６ｍｍ）厚さに設定する。
従って、セラミック基材の厚さｄ１＜アルミニウム放熱板の厚さｄ２となる。
接合されるセラミック基材は、剛性とともに熱伝導率が高く、放熱性能の高い窒化アルミニウム（０．６３５ｍｍｔ）が最適であり、アルミニウム回路パターンは接合時のそりを抑制するために、０．８〜２．０ｍｍ（望ましくは１．０〜１．６ｍｍ）で、アルミニウム放熱板１１よりも厚く設定して、接合界面の応力バランスをとる。
従って、セラミック基材の厚さｄ１＜アルミニウム放熱板の厚さｄ２＜アルミニウム回路パターン１０の厚さｄ３となる。
【００３９】
アルミニウム回路パターン１０とアルミニウム放熱板１１の厚さがどの程度まで許容されるかは、接合されるセラミック基材８の曲げ強度に依存することとなる。
すなわち、アルミニウム回路パターン１０とアルミニウム放熱板１１の設定厚さにおいて、温度変化時に接合界面に生じる内部応力が、セラミック基材８が耐えうる曲げ強度の許容範囲内に収まる必要があり、使用温度範囲内で生じる接合界面応力によってセラミック基材との界面にクラックを発生しない範囲で厚さを設定することとなる。
一例として、縦７０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムに対して、上面側に縦６８ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１．３ｍｍのアルミニウム板、下面側に縦２００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのアルミニウム板をろう付けした場合、そり量はほぼゼロとなった。
【００４０】
［実施例２］放熱板にフィンを一体成形し、冷却媒体で直接冷却（図８、９）
実施例２では、冷却ブロックに載置面を設けず、パワーモジュールを固着させた放熱板にフィンを一体成形したものを蓋として冷却ブロックに取り付け、直接冷却することにより、シリコングリースにおける熱抵抗を除去し、さらに積極的に放熱性を高めた構造について説明する。
【００４１】
図８は、本発明の実施例による電子部品冷却装置の斜視図であり、セラミック基材８の上面側にアルミニウム回路パターン１０、下面側にアルミニウム放熱板１１を接合し、さらにアルミニウム放熱板１１の下面側に放熱フィン５を一体化した状態で、アルミニウム回路パターン１０に半導体スイッチング素子７を実装している。
放熱フィン５は、アルミニウム放熱板１１上に実装されるセラミック基材の直下付近に一体成形されている。放熱フィンをアルミニウム放熱板に一体成形する方法は、押し出し成形、鋳造、切削加工などが用いられる。また、冷却ブロック２は、冷却液の流路を規定する形として、アルミニウム放熱板１１に一体化されたフィン形状と合致する形で、断面凹状をしたＵ字形の通液路が形成されている。
そして、冷却ブロック２の周囲部１７にＯリング１８、または平パッキンを挟み、Ｕ字形通液路側に、アルミニウム放熱板１１のフィン側を嵌合させ、ボルト４を用いてパワーモジュールのアルミニウム放熱板１１の四隅を、冷却ブロック２にネジ締め固定することで液密を確保している。ただし、この場合、ネジ締めの間隔をできるだけ短くとり、Ｏリング、または平パッキンに充分な圧力を加えて信頼性を確保する必要がある。
そして、冷却ブロック２の一方の冷液管６ａからクーラントや純水等の冷却液を供給して冷却ブロック内の流路を循環させた後、他方の液冷管６ｂから排出させることで、パワーモジュール内の半導体スイッチング素子７で発生する熱を、アルミニウム回路パターン１０、セラミック基材８、アルミニウム放熱板１１、放熱フィン５を通じて冷却ブロック内を流れる冷却液で吸収して排熱させ、パワーモジュールが強制冷却される。
【００４２】
図９（ａ）は、上記電子部品冷却装置に使用されるセラミック複合放熱板について、セラミック基材８とアルミニウム回路パターン１０、アルミニウム放熱板１１を一体化する際の構成図であり、図９（ｂ）はその断面図である。
セラミック複合放熱板は、アルミニウム回路パターン１０、セラミック基材８、アルミニウム放熱板１１の順に接合した構造をとる。
アルミニウム回路パターン１０の厚さｄ２とアルミニウム冷却ブロック１１の厚さｄ３は略同一厚さとし、放熱フィン５は、厚さ０．８ｍｍ、ピッチ間隔１．８ｍｍのストレートフィンを用いている。
アルミニウム放熱板１１とアルミニウム回路パターン１０のセラミック基材との接合面側は、あらかじめＡｌ−Ｓｉ系合金等のろう材がクラッド加工してあり、セラミック基材８を挟んだ状態で、真空ろう付けして接合されている。
アルミニウム放熱板１１は、冷却ブロック３にネジ締め固定するために、機械的強度を確保する必要があり、０．８〜２．０ｍｍ（望ましくは、１．０〜１．６ｍｍ）厚さに設定する。接合されるセラミック基材は、実施例１と同様に０．６３５ｍｍｔの窒化アルミニウムを使用している。
【００４３】
図１０は、図９（ａ）に記載した電子部品冷却装置について、側面Ａ方向から見た図である。セラミック基材１０の上面側アルミニウム回路パターン１０、および下面側のアルミニウム冷却ブロック１１には、ろう付け接合時において６００℃から常温まで温度が降下する過程で発生した内部収縮応力が存在している。
下面側のアルミニウム冷却ブロック１６は、上面側アルミニウム回路パターン１０よりも大きな面積を有しており、より大きな収縮応力が内在するために、凸ぞりを発生しやすい環境にあるが、放熱フィン５の面内における曲げ抗力が内部収縮応力を打ち消す向きに働くため、長手方向にそりを発生することなく、平面性を確保することができる。
【００４４】
図７の実施例１ではアルミニウム放熱板１１の厚さｄ３に対してアルミニウム回路パターン１０の厚さｄ２を大きくして、セラミック基材８との接合界面応力のバランスを取っていたが、図９に示すフィン付きアルミニウム放熱板を使用した場合には、必ずしもｄ２＞ｄ３とする必要はない。ｄ２＝ｄ３としても、フィンの高さを４ｍｍ以上に設定して、フィン面内の曲げ抗力を確保すれば、セラミック複合放熱板にそりを発生することはない。
ただし、アルミニウム回路パターン１０の厚さｄ２をセラミック基材８の厚さｄ１よりも薄く設定してしまうと、アルミニウム回路パターン１０の厚さｄ２＜セラミックス基材８の厚さｄ１＜アルミニウム放熱板１１の厚さｄ３となってしまい、ヒートサイクル負荷が生じた際にアルミニウム回路パターン１０とセラミック基材８の接合界面に過度のストレスが熱履歴となって加わり、クラックを発生するおそれがある。従って、アルミニウム回路パターン１０の厚さｄ２は、０．６３５〜２ｍｍとして、セラミック基材８の厚さｄ１よりも大きく設定する必要がある。
【００４５】
一例として、縦７０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムに対して、上面側に縦６８ｍｍ、横４８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミニウム板、下面側に縦２０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム板に厚さ０．８ｍｍ、高さ６ｍｍのフィンをフィンピッチ１．８ｍｍで一体成形したものをろう付けした場合、そり量はほぼゼロになった。
また、上面側に接合するアルミニウム板の厚さを０．８ｍｍとしたものを製作したが、同様にそりを発生しなかった。さらに、もとの状態に対してフィン高さ３ｍｍのものを製作したところ、下面側アルミニウム板の長辺側両端に対して中央が約０．４ｍｍ内ぞりを生ずる結果となった。
【００４６】
ここで、放熱フィン部は、図１１（ａ）に示すように放熱フィンを所定間隔で並列配置したストレートフィンを用いてもよいし、さらに図１１（ｂ）、（ｃ）に示すように放熱フィンを所定間隔で千鳥状に配置したオフセットフィンを用いてもよい。
オフセットフィンの場合には、ストレートフィンの場合より、冷却媒体がフィン端部にあたって乱流を生じやすくなり、放熱フィンから冷却媒体への熱伝達係数を大きくして、放熱能力を増すことができる。
各放熱フィンの厚さは薄すぎると面方向の曲げ抗力が小さくなり、厚すぎると放熱面積が少なくなって放熱能力が低下することから、０．６ｍｍ〜１ｍｍの厚さ範囲で設定することが望ましい。
【００４７】
図８に示す電子部品冷却装置において、半導体スイッチング素子と冷却液間には、セラミック複合放熱板しかなく、実施例１のシリコングリースは存在しない。さらに、放熱板と冷却フィンが一体化されているため、実施例１で放熱板と冷却フィン間に存在した冷却ブロックの載置面部が除去されており、この間での熱抵抗が低減されている。
特に、シリコングリースが存在しないことによる熱抵抗の低減効果は非常に大きく、例えば縦３０ｍｍ、横３０ｍｍの絶縁基板上に実装された半導体スイッチング素子部から３００Ｗの発熱を直下に放熱した場合、シリコングリース部の熱抵抗によるΔＴを約１６℃近くも低減することができる。
さらに、放熱板のわずかなそりによって、放熱板と冷却ブロック載置面との密着性が低下するということもなく、放熱能力を安定して発揮させることができる。
また、パワーモジュール放熱板と冷却ブロックに同材質のアルミニウムを使用しており、放熱板と冷却ブロック間に挟み込むＯリング、もしくは平パッキンにストレスを与えることがないため、長期間の使用によって密着性が劣化することがない。
【００４８】
［実施例３］内部にフィン構造、冷却液路を備えたアルミニウム放熱板使用（図１２、１３）
実施例２では、フィン付きのアルミニウム放熱板を冷却ブロックに嵌合して一体化した例を示したが、実施例３では、フィン付き放熱板と冷却ブロックを一体化し、内部にフィン構造を有して冷却液路を備える密閉構造のアルミニウム冷却ブロック載置面上に、セラミック基材を実装した構造について説明する。
図１２は、本発明の実施例による電子部品冷却装置の斜視図であり、冷却媒体の入口、出口部を除いて密閉構造を有するアルミニウム冷却ブロック２の上面側にセラミック基材８、アルミニウム回路パターン１０を一体化した状態で、アルミニウム回路パターン１０に半導体スイッチング素子７を実装している。
【００４９】
図１３（ａ）は、上記電子部品冷却装置に使用される、セラミック基材８とアルミニウム回路パターン１０、アルミニウム冷却ブロック２を一体化する際の構成図であり、図１３（ｂ）はその断面図である。
本構成図において、アルミニウム回路パターン１０、セラミック基材８、アルミニウム冷却ブロック２の順に接合した構造をとる。
アルミニウム冷却ブロック２の内部は、厚さ０．８ｍｍ、ピッチ間隔１．８ｍｍのフィンが、アルミニウム冷却ブロック載置面の内面側に一体成形されている。
アルミニウム冷却ブロックのフィンを除いた厚さｄ３とアルミニウム回路パターン１０の厚さｄ２は略同一厚さとなるように設定されている。ｄ３は４ｍｍ以上（好ましくは、６〜８ｍｍｔ）に設定して、フィン面における曲げ抗力を確保する。
【００５０】
図１２、１３に示すとおり、アルミニウム冷却ブロックが、冷却媒体の入口、出口部を除いて密閉構造を取り、内部にフィン構造を有して冷却媒体の流路を備えることにより、Ｏリングや平パッキンなどを使って、電子部品冷却装置の冷却媒体の液密性を確保する必要がなくなる。
さらに、アルミニウム冷却ブロックの四方向に壁面を有することにより、放熱フィンと同様に、４方向に有する壁面内での曲げ抗力を確保することができ、そりを抑制する効果を得ることができる。
【００５１】
図８、１２に示す電子部品冷却装置においては、金属板を金型で断面凹状にプレスした後、中央に冷却液路を形成するしきり板をろう付けしてＵ字形の通液路を形成した冷却ブロックを用いていたが、図１４に示すようにインバータ筐体１７の冷却液循環路に中空口を設け、アルミニウム放熱板１１のフィン側と嵌合させて、周囲部１５にＯリング１６または平パッキンを挟んでネジ締め固定し、液密に一体化させることで冷却液流路用の液路を形成する構造も可能である。
インバータ筐体のサイズが大きい場合は、筐体の熱容量が大きく、ろう付けに必要な電力が大きくなるとともに、炉内で１度に処理できる量が少なくなり、量産性が低下してしまうため、上記Ｏリング若しくは平パッキンによる液密確保の方が実用的である。
【００５２】
上記の絶縁基板の基材として使用されるセラミックとして、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋと大きく、機械的強度が３８０ＭＰａと強い材料である窒化アルミニウムを使用することができる。
また、熱伝導率が８５Ｗ／ｍ・Ｋと窒化アルミニウムの約半分であるが、機械的強度が７００ＭＰａ以上ある窒化珪素を用いる場合、窒化アルミニウムの約半分の厚さで使用することにより、窒化アルミニウムとほぼ同等の放熱能力を持たせることが可能である。
さらに、熱伝導率、曲げ強度ともに前者より劣るが、安価なアルミナ基板を用いることも可能である。
【００５３】
また、上記のアルミニウムに替えて銅を使用することもできる。銅はアルミニウムと比較し、１７ｐｐｍ／℃と熱膨張係数は小さいが、変形抵抗が大きいため、セラミック基材の両面に銅を接合した時の熱応力を吸収しきれず、セラミック基材との界面にクラックを生じるおそれがある。
従って、セラミック基材の面積を１〜２ｃｍ２程度と小さく設定するか、あるいはセラミック基材の面積が大きくなる場合には、耐ヒートサイクル性が緩い条件（例えば、−４０〜＋１２５℃の温度条件において各３０分、５０回程度）に設定できる用途に限定されてしまうが、アルミニウムに比べて１．７倍程度、熱伝導率がよいことから、より放熱性の高い冷却装置を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の電子部品冷却装置の斜視図である。
【図２】図１の電子部品冷却装置の断面図である。
【図３】従来構造の問題点の１つを説明するための図である。
【図４】他の従来の電子部品冷却装置の断面図である。
【図５】セラミック基材の電子部品側に板状のアルミニウム、冷却ブロック側に放熱板をろう付けしてセラミック複合基板に構成する時の凸状のそりが発生するメカニズムを示す図であり、（ａ）は常温状態、（ｂ）は高温真空中での状態、（ｃ）は高温から常温まで温度が降下する時の状態を示す図である。
【図６】本発明の実施例による、電子部品冷却装置の斜視図である。
【図７】図６のセラミック複合基板の組立工程を示す図であり、（ａ）は組立時の状態、（ｂ）は組立時の接合界面応力を示す図である。
【図８】本発明の他の実施例による、電子部品冷却装置の斜視図である。
【図９】図８の実施例による、電子部品冷却装置の組立工程を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図１０】図９（ａ）に記載した電子部品冷却装置について、側面Ａ方向から見た図である。
【図１１】本発明の実施例による、放熱フィンを示す図であり、（ａ）はストレートフィン、（ｂ）、（ｃ）はオフセットフィンを示す斜視図である。
【図１２】本発明の他の実施例による、電子部品冷却装置の斜視図である。
【図１３】図１２に示す電子部品冷却装置の組立工程を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図１４】本発明の他の実施例による、電子部品冷却装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    パワーモジュール
２    冷却ブロック
３    冷却ブロック載置面
４    ボルト
５    放熱フィン
６ａ、６ｂ    冷液管
７    半導体スイッチング素子
８    セラミック基材
９    放熱板
１０    アルミニウム回路パターン
１１    アルミニウム放熱板
１２    ハウジング
１３    外部接続端子
１４    アルミワイヤ
１５    冷却ブロック周囲部
１６    Ｏリング
１７    インバータ筐体
１９    反り補正板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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